雙閥濾池自動化改造

鐘增瑋

（廈門水務(wù)集團(tuán)高殿水廠，福建 廈門 361000）

廈門水務(wù)中環(huán)制水有限公司高殿水廠3#濾池為雙閥濾池，共有12格濾池，原設(shè)計具有自動控制系統(tǒng)，主要有濾池恒水位過濾控制與自動反沖洗控制。濾池恒水位過濾控制系統(tǒng)用的是三檔水位開關(guān)量信號，通過水位負(fù)反饋控制調(diào)節(jié)閥門開度，使過濾水位保持在1.1m左右。自動反沖洗使用PLC計時，自動抽真空進(jìn)行反沖洗，每格濾池沖洗間隔時間為24h，平均2h沖洗一格濾池。但在實際運行中，濾池的自動控制一直無法良好運行：一是在恒水位過濾方面，由于水位用的是開關(guān)量信號，無法線性監(jiān)控，其波動相當(dāng)大，低水位過濾問題時常出現(xiàn)；二是在自動反沖洗方面，由于真空管路不合理、真空泵及真空閥的老化等問題，濾池的反沖洗閥開閥時間與真空形成時間無法良好配對，一直無法完成自動反沖洗任務(wù)。因此在多次實驗與總結(jié)之后，擬對濾池進(jìn)行自動化改造。改造后濾池可基本完成全自動化控制，達(dá)到無人值守的條件，在提高濾池安全性及可靠性的同時，也為今后水廠減員增效奠定基礎(chǔ)。

1 濾池現(xiàn)狀及原因分析

水廠現(xiàn)有工藝采用雙閥濾池工藝。通過濾沙進(jìn)行固液分離，進(jìn)一步去除水中細(xì)小的懸浮物及細(xì)菌，使沉淀池出水能夠達(dá)到飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。虹吸式雙閥濾池控制部分主要由清水閥、反沖洗閥、進(jìn)水虹吸管、排水虹吸管及真空管路系統(tǒng)組成，反沖洗采用高位水池，進(jìn)水管為500×400mm的虹吸管，高差1m；排水管為600×730mm的虹吸管，高差2.5m。虹吸式雙閥濾池工藝流程如圖1。

圖1 虹吸式雙閥濾池工藝流程圖

改造前濾池真空管路如圖2。

圖2 原真空系統(tǒng)管路圖

管路主回路為DN50鐵管，進(jìn)排水末端縮為DN25鐵管，包含DN25電磁閥。

早期濾池經(jīng)歷過一次自動化改造，改造后出現(xiàn)的問題主要為以下幾個方面：（1）管道設(shè)計不合理，反沖洗虹吸建立時間長。（2）電磁閥氣密性不好，真空度不容易形成且易被破壞。（3）反沖洗閥開關(guān)閥時間長，電氣控制是大滯后系統(tǒng)，控制不易把握。（4）液位開關(guān)選擇是三級開關(guān)信號，不是模擬量線性信號，對水位無法精度判斷。（5）真空電接點壓力表不準(zhǔn)確，無法準(zhǔn)確判斷是否形成真空?？梢?#池的真空管路距離真空泵最遠(yuǎn)。經(jīng)實驗，用真空泵抽2#池抽排水真空要2min以上，其他各池在70~120s之間，時間普遍較長，并且水塔反沖洗水的水速較快，容易造成真空還未形成，沖洗水就已到位的溢流現(xiàn)象。

濾池現(xiàn)階段會有以下缺陷：（1）由于自動系統(tǒng)不完善，所有操作均需要人工進(jìn)行，不便于節(jié)省人力。（2）進(jìn)水虹吸由于電磁閥漏氣原因會自動破壞。（3）清水閥無一鍵開關(guān)按鈕（需要人員長按）。（4）反沖洗水塔由于液位計顯示不準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)水溢出問題，導(dǎo)致在沖洗水塔下方配電柜經(jīng)常受到損壞，并且如果水塔水位過低會吸入空氣，沖洗時容易損壞濾板。

2 濾池的改造

針對以上問題對3#濾池進(jìn)行改造，改造內(nèi)容包括：PLC柜、操作臺、真空系統(tǒng)、閥門、液位計、沖洗水塔等，以下主要針對真空系統(tǒng)及信號2個方面展開分析。

2.1 真空系統(tǒng)

對于真空系統(tǒng)的改造，主要有增加真空罐與改造真空管路2種方式。

2.1.1 增加真空罐

考慮在不更換真空泵的情況下，可采取增添真空儲氣罐的方式。真空罐的材料包括真空電接點壓力表、排氣電動閥、排水電動閥。同時在真空管路增添電動球閥，在真空泵汽水分離器增添電動閥進(jìn)行自動補(bǔ)水。

理論上每提高真空度-0.01MPa,提升水位約1m。如果我們需要提升水位約4m，我們可將真空罐的電接點壓力表的下限值調(diào)到-0.04MPa,而上限值調(diào)到-0.05MPa即可滿足工藝要求。根據(jù)真空罐的負(fù)壓，控制真空系統(tǒng)自成閉環(huán)控制，用PLC真空泵的啟停。

加真空罐的優(yōu)點：（1）用真空罐抽虹吸真空相比直接使用真空泵抽虹吸真空，可以使整個系統(tǒng)達(dá)到一個相對穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)，并且減少抽管路真空的時間，為自動化控制提供更加快捷的時間參數(shù)。（2）在抽真空過程中，真空形成之后，由于閥門關(guān)閉延遲等原因，會有少量水隨管路進(jìn)入真空泵。添加真空罐可防止虹吸形成將水帶入真空泵，打擊和腐蝕葉輪，起到一個反沖的作用。（3）使用真空罐抽真空可不受真空泵性能影響，只要達(dá)到的真空度夠高，就可保證12格濾池虹吸形成的時間基本相同，為自動反沖洗提供更穩(wěn)定的控制方案。

真空系統(tǒng)運行步驟應(yīng)改為：打開真空泵及其進(jìn)氣閥，先將真空罐抽成真空，但不開虹吸管的閥門，達(dá)到預(yù)定真空度且穩(wěn)定之后，關(guān)閉真空泵及其進(jìn)氣閥，再打開虹吸管閥門抽真空。

但增加真空罐也可能會出現(xiàn)以下問題。

（1）真空罐會增加占地面積。真空管道與虹吸管氣體體積總和大概為4m3，排水虹吸高度差4m，根據(jù)抽氣時間計算公式：

式中：t為抽氣時間，min；V為真空系統(tǒng)的容積，m3；S為真空泵的抽氣速率，m3/min；P1為真空系統(tǒng)初始壓力，kPa；P2為真空系統(tǒng)終了的壓力，kPa；Kq為修正系數(shù)。

根據(jù)理論算，如果要靠真空罐建立虹吸，由于現(xiàn)場1#真空泵能達(dá)到的最大真空度只有-0.5MPa，并且真空度要在-0.4MPa以上，真空罐體積要在4m3左右。2m3真空罐是高2.8m，直徑1.2m的圓柱體，因此理論上要增加2個2m3真空罐。

（2）抽真空后，真空罐內(nèi)會形成積水，要自動排放，還須增添相應(yīng)的電磁閥、水位計、電接點壓力表等，增添了改造部分設(shè)備的成本。

（3）如果讓真空罐一直保持在真空負(fù)壓狀態(tài)，閥門和真空電接點壓力表等設(shè)備長時間有壓力，可能會減短其壽命。如果只在需要反沖洗時才將罐抽成真空，由于此過程被一分為二，會導(dǎo)致單格濾池沖洗時間的加長，也可能會影響整個濾池的反沖洗時間。

（4）使用真空罐抽虹吸，由于負(fù)壓高，開閥瞬間氣體對閥門的沖擊會比較大，有可能會影響管路和閥門的氣密與壽命。

要注意的是真空管路應(yīng)盡量高于真空罐。由于虹吸形成之后，閥門的關(guān)閉會有延遲，少量水會隨真空被抽起，進(jìn)入到管路和真空罐中，如果真空管低于真空罐，水會余留在管道內(nèi)，無法全部到達(dá)真空罐內(nèi)。為減少管內(nèi)殘留的水，應(yīng)盡量把管路抬高。

總體來說，在條件允許的情況下，增加真空罐是保證抽真空時間穩(wěn)定的良好選擇。

2.1.2 改造真空管路

在真空管路的改造上，主要要考慮以下幾個問題。

（1）真空管徑的選擇至關(guān)重要。大口徑的管可以加快抽氣速度，減少真空形成時間，讓反沖洗更好操作；但大口徑的管更大、更重、不好布置，而且還要加大抽氣量，也會增加真空泵的抽氣時間，電耗更大。小口徑與大口徑管路正好相反，但小口徑管路布管方便，用料少，對應(yīng)的閥門也較小，可以降低設(shè)備成本。

（2）在管路的布置方面，各池的距離應(yīng)相對平均，保證時間基本一致，便于控制。并且真空管路應(yīng)當(dāng)越短越好，加快抽真空速度。

（3）原有的管路設(shè)計不夠合理，真空泵距離池子有遠(yuǎn)有近，不好控制。為加快抽真空時間進(jìn)度，設(shè)計更換所有真空管路，將原有的DN25真空管全部改為DN50管。

圖3 管路改造圖

圖4 自動控制系統(tǒng)流程圖

不僅如此，可考慮在真空泵出口處增添4個電動閥門（如圖3），把真空管路分為4個部分，每個閥門控制3個池子，需要用到這片區(qū)域池子才打開此閥門，這樣可以避免某些池子因真空管道過遠(yuǎn)造成的真空形成時間不均等，同時也可減少需要抽氣的管路體積，節(jié)省時間，亦可減少各池建立虹吸的相互影響。

2種改造方式各有優(yōu)缺點，對比如下。

（1）增添真空泵可提高穩(wěn)定性，使得各池子抽真空時間接近，且不受真空泵性能退化影響，但占用大量空間。

（2）可節(jié)約改造成本，減少占用空間，但穩(wěn)定性不高。

經(jīng)討論，在條件允許的情況下，最好的辦法是以上方法結(jié)合，增加真空罐同時改造真空管路，既可增加系統(tǒng)的可靠性，又可保證抽氣效率。

3 自動系統(tǒng)改造

增添1臺施耐德M580公共沖洗柜PLC，每格濾池操作臺增加1個施耐德M218PLC。主要需要執(zhí)行的操作為為恒水位過濾與自動反沖洗2部分。主要的流程如圖4。

4 結(jié)語

雙閥濾池是水廠最常見的濾池之一。其中真空系統(tǒng)是關(guān)系到濾池反沖洗穩(wěn)定性與安全性的重要因素，分析真空系統(tǒng)有助于實現(xiàn)濾池的完全自動化控制，實現(xiàn)水廠無人值守的目標(biāo)。通過對高殿水廠3#濾池的分析，總結(jié)了一些對雙閥濾池系統(tǒng)中的真空系統(tǒng)及其自動化改造的關(guān)鍵因素，在工藝上提出初步的改造計劃。接下來還需進(jìn)一步結(jié)合實際，完善改造的各項工作，提出一個更加切實可行的計劃。